基于三維掃描技術(shù)的唐陵雕塑數(shù)字化保護(hù)研究

張輝　王冬梅

摘要：唐十八陵作為中華民族悠久歷史中輝煌燦爛且博大精深的遺存物，正處于被自然和人為破壞雙重因素所困擾的現(xiàn)狀中。文章首先以唐陵整體化的保護(hù)為前提，針對(duì)唐陵雕塑保護(hù)中存在的實(shí)際問題，應(yīng)用三維掃描技術(shù)對(duì)唐陵雕塑進(jìn)行數(shù)字信息化，探究其外在形制和內(nèi)在功能，為保護(hù)及修復(fù)唐陵雕塑提供詳實(shí)的科學(xué)依據(jù)，以此來最終達(dá)到認(rèn)識(shí)唐陵、保護(hù)唐陵、傳承文化之目的。

關(guān)鍵詞：唐陵；雕塑；三維掃描；保護(hù)傳承

檢索：www.artdesign.org.cn

中圖分類號(hào)：J18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-2832（2016）04-0091-03

唐十八陵作為中國(guó)古代鼎盛時(shí)期的遺存，自初建于公元635年唐高祖的唐獻(xiàn)陵至公元888年唐僖宗的唐靖陵，跨越了253年的時(shí)期，不但見證了唐王朝開國(guó)、發(fā)展、盛世和衰落的完整過程，還真實(shí)地反映了當(dāng)時(shí)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、藝術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，是歷史的見證和文化的載體。近些年，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和成熟，三維掃描技術(shù)也隨之快速發(fā)展，不僅設(shè)備來越輕越精致便攜，更重要的是掃描速度及數(shù)據(jù)精度都有很大提高，這些優(yōu)勢(shì)使得三維掃描技術(shù)從最初的醫(yī)學(xué)、工業(yè)制造等方面逐漸擴(kuò)展到文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，為器物描述、文物復(fù)制、及全方位展覽提供了新的契機(jī)。大唐文化是中國(guó)文化藝術(shù)史上的精神領(lǐng)袖，通過唐陵文化遺產(chǎn)的整體數(shù)字化研究，能夠獲取更全面更詳實(shí)的資料，闡釋其本始功能性和當(dāng)代文化傳承。

一、唐陵文化遺產(chǎn)保護(hù)的迫切性

文化遺產(chǎn)、文物古跡蘊(yùn)含著整個(gè)社會(huì)的形態(tài)及其發(fā)展的脈絡(luò)，是歷史文化的活化石，是民族歷史的積淀，也是藝術(shù)、歷史文化的載體，具有極高的文化、歷史和藝術(shù)價(jià)值，是不可再生的文化資源。唐陵雕塑是在中華本土產(chǎn)生和發(fā)展傳統(tǒng)藝術(shù)形式，是集文化和藝術(shù)審美于一體的超卓的大型石刻，見證了唐代社會(huì)變遷，凸顯了唐代恢弘博大的氣勢(shì)和深厚的歷史文化底蘊(yùn)。但是這組極具歷史、藝術(shù)、文化及考古價(jià)值的古代雕刻的瑰寶，卻長(zhǎng)期遭受著自然風(fēng)化和人為盜竊等雙重破壞，大部分石刻保存現(xiàn)狀令^堪憂，很多雕塑有貫穿性裂縫間隙，并且有的石刻表層細(xì)節(jié)漫漶不清；還有大部分唐陵雕塑歪斜、斷裂、或者移動(dòng)原位，例如唐景陵的仗馬（如圖1）已經(jīng)翻倒在地，被周邊的土堆掩埋，長(zhǎng)期未得到妥善保護(hù)；又例如：獻(xiàn)陵東南西北4門如今僅存6件石虎，保存最為完整的是南門現(xiàn)存的東側(cè)石虎；位于西門的兩只石虎被當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)家住宅分隔開來，石虎腿部均已斷開并且跟石座分離；北門現(xiàn)存西側(cè)石虎同西門的石虎狀況相似；東門的南側(cè)石虎已被黃土掩蓋，地面上可以看到只露出背部的北側(cè)石虎?，F(xiàn)代社會(huì)中，這些石雕在瘠薄的精神文化中艱難地呼吸著，積弱的傳統(tǒng)文化正遭遇強(qiáng)勢(shì)的物質(zhì)文明沖擊?；谶@種種現(xiàn)狀，唐陵文化遺產(chǎn)的保護(hù)顯得尤為迫切。

二、唐陵雕塑塑保護(hù)中新技術(shù)的應(yīng)用

（一）文物數(shù)字化現(xiàn)狀

文物數(shù)字化是利用最新的數(shù)字化技術(shù)（如數(shù)字化掃描、攝影、數(shù)字化編輯、虛擬現(xiàn)實(shí)等）對(duì)文物信息進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)或重新構(gòu)建三維數(shù)字模型，最終通過相關(guān)軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化還原。現(xiàn)階段，文物的數(shù)字化應(yīng)用主要使用：攝影測(cè)量和三維掃描。相對(duì)于傳統(tǒng)保護(hù)，數(shù)字化保護(hù)具有精度高、投入成本低、易于長(zhǎng)期保存和廣泛傳播及應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，是文物保護(hù)的重要手段。三維掃描技術(shù)，可以根據(jù)需求，記錄文物最真實(shí)、最全面的形態(tài)特征，通過計(jì)算機(jī)重構(gòu)其三維數(shù)據(jù)，真實(shí)快速地再現(xiàn)文物原貌。數(shù)字?jǐn)z影雖比較方便，但其缺點(diǎn)是只能記錄平面的二維影像，不夠精準(zhǔn)、全面。20世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，三維掃描技術(shù)越來越多的應(yīng)用到文物的保護(hù)領(lǐng)域，因?yàn)檫@樣使得文物的展示及檢索更加數(shù)字化，也更有利于文物的研究、共享及傳播。在國(guó)外，美國(guó)著名大學(xué)斯坦福大學(xué)就曾開展一個(gè)名叫“米開朗基羅”的項(xiàng)目一一專門針對(duì)十座世界著名的雕塑進(jìn)行三維掃描的項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化起步較晚，但也取得做了許多有效并有影響的成果，例如：北京大學(xué)開展了龍門石窟的數(shù)字化保護(hù)工作，根據(jù)場(chǎng)景的不同尺寸和對(duì)掃描模型精度的不同要求，選擇不同類型的掃描儀實(shí)現(xiàn)了龍門石窟擂鼓臺(tái)區(qū)外立面、洞窟、圓雕大日佛、洞窟中小佛像、飾物三維模型的建立。

（二）3D掃描儀Go！SCAN 50簡(jiǎn)介

GO！SCAN 50TM三維掃描儀（圖2）是加拿大廠商Creaform的一款最新產(chǎn)品，其自身重量不到一千克，可以深入到狹小空間，也可裝入隨身攜帶的手提箱，不到兩分鐘即可啟動(dòng)并運(yùn)行的傻瓜式操作等優(yōu)勢(shì)為我們帶來了最簡(jiǎn)便的3D掃描體驗(yàn)，在提供快速而可靠的測(cè)量同時(shí)，還可以采集全彩3D數(shù)據(jù)。此款掃描儀具有較寬的視野，特別適用于快速、省力地掃描高度為30-300厘米的大中型物體，而唐陵雕塑本身體積較大，又都處于較偏遠(yuǎn)條件較差的地方，這一款掃描儀就為唐陵雕塑的掃描減少了很多麻煩。

（三）三維掃描技術(shù)中實(shí)物數(shù)字化流程

利用現(xiàn)有的三維掃描技術(shù)，可以對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描并獲得其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、修補(bǔ)等后期處理從而獲得實(shí)物的三維立體模型。除此之外，后期還可以利用圖形處理技術(shù)，對(duì)三維模型的表面進(jìn)行貼圖處理，從而使得數(shù)字化模型更加形象逼真。在三維掃描技術(shù)中實(shí)物數(shù)字化具體的操作流程為：掃描物體、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)拼接、后期處理、表面貼圖以及最終的實(shí)物數(shù)字化模型六個(gè)步驟。利用三維建模阮籍與數(shù)字互動(dòng)技術(shù)，可以對(duì)文物的三維數(shù)據(jù)做全面、生動(dòng)的展示，從而增加參觀者的參與感，營(yíng)造良好的人機(jī)互動(dòng)氛圍和自然顯示效果，非遺可以應(yīng)用，唐陵亦如此。這樣的數(shù)字化信息不僅可以永久保存，還可應(yīng)用到數(shù)字博物館的數(shù)字化展示中，通過互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用以3D的方式呈現(xiàn)給觀者，一些世界名勝、雕塑、古董將在互聯(lián)網(wǎng)上以3D的形式來讓用戶體驗(yàn)，這種體驗(yàn)的真實(shí)震撼程度要遠(yuǎn)超現(xiàn)在的2D環(huán)境。

基于三維掃描獲得的文物三維數(shù)據(jù)為更加深入的研究文物、復(fù)制文物提供了可行性，為建立專門的文物的數(shù)字化博物館、文物的3維展示以及文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供了新思路。

三、三維掃描技術(shù)在唐陵雕塑中的應(yīng)用實(shí)踐

（一）前期實(shí)驗(yàn)分析

為確保唐陵雕塑掃描工作的順利進(jìn)行，去現(xiàn)場(chǎng)掃描之前對(duì)以下兩方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

1.材質(zhì)實(shí)驗(yàn)分析

唐陵雕塑的材質(zhì)是石頭，為了確認(rèn)三維掃描儀對(duì)石頭材質(zhì)物體的識(shí)別度，首先選擇同樣材質(zhì)的物體進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，選定的被掃描物體是校園內(nèi)的“紀(jì)念林”石碑，通過圖4所示的掃描結(jié)果可以很清楚的看到，石碑的石頭質(zhì)感被完美還原，不僅如此，“紀(jì)念林”三個(gè)人工雕刻的字以及石碑表面的紋理也清晰再現(xiàn)，印跡明確。由此得知：三維掃描儀對(duì)于與唐陵雕塑的石頭材質(zhì)可以完美識(shí)別，完整再現(xiàn)。

2.光線實(shí)驗(yàn)分析

掃描環(huán)境主要分為室內(nèi)和室外，首先選擇在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)維納斯石膏像進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)。掃描時(shí)，外界天氣情況為晴天，室內(nèi)的光線主要來源于一扇長(zhǎng)280cm高250cm的窗戶，維納斯石膏像高度約為120cm（圖5），掃描完成一共用時(shí)約60分鐘，掃描結(jié)果如圖6所示，面部五官以及腿部褶皺的痕跡都可以很清晰很完整的再現(xiàn)。由此得知：日間天氣晴朗時(shí)，室內(nèi)掃描可以完成。

其次，還需在室外環(huán)境下進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)。GO！SCAN 50TM的掃描光源是白光，當(dāng)將物體置于太陽光下時(shí)，掃描儀的CCD感光片處于被太陽光直射的狀態(tài)，便會(huì)曝光過度，而掃描儀是通過部件的幾何形狀及顏色來混合定位的，曝光過度的情況下對(duì)部件的幾何形狀及大部分相似底紋將無法識(shí)別。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了便于遮光，選定的掃描物體是一個(gè)長(zhǎng)約30cm寬約25cm高約40cm的小企鵝玩偶。由兩名同學(xué)分別抓住遮光布的兩角，為企鵝玩偶營(yíng)造一個(gè)如圖7所示的不被太陽光直射的避光環(huán)境。掃描時(shí)，室外光線條件下正常曝光數(shù)據(jù)值為：ISO-400，曝光時(shí)間1/250s，f/8；遮光布內(nèi)光線條件下正常曝光數(shù)據(jù)值為：ISO-400，曝光時(shí)間1/250s，f/4，即在感光度與曝光時(shí)間相同的情況下，光圈值需要降低三級(jí)，此時(shí)的光照條件下，三維掃描儀的激光才不會(huì)被太陽光干擾。如圖8的掃描結(jié)果所示，企鵝的色彩可以真實(shí)還原，整體的造型非常精準(zhǔn)而生動(dòng)。

（二）唐建陵翁仲掃描過程

前期實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找到應(yīng)對(duì)方法，就到唐建陵進(jìn)行第一次雕塑的三維掃描實(shí)踐選定的掃描對(duì)象為唐建陵中一個(gè)已被半埋在地下的翁仲（圖9）。在室外進(jìn)行掃描，最關(guān)鍵的問題就在于給唐陵雕塑創(chuàng)造一個(gè)光線較暗的環(huán)境?？紤]到外出攜帶問題，選擇了可以任意截?cái)嗪瓦B接的PVC管，截成長(zhǎng)為1米的短管，中間和頂端分別用直接接口和自制的三通接口連接，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)根據(jù)雕塑自身高度、體積來連接搭建一個(gè)合適的遮光棚。為了保證支架的穩(wěn)固性，選定的PVC管直徑為5cm，管壁厚度為0.4cm。被掃描唐陵雕塑的尺寸大約為：長(zhǎng)60cm寬30cm高70cm，因此支架搭建的尺寸相應(yīng)為：長(zhǎng)100cm寬100cm高200cm，除此之外，還有長(zhǎng)5米寬2.8米的遮光布兩塊。圍繞雕塑把支架連接搭建完成之后（圖10），將兩塊遮光布呈十字狀蓋在支架上，其中雕塑正面是半遮蓋狀態(tài)以提供必要的照明光線，這樣就建立了一個(gè)簡(jiǎn)易的遮光棚（圖11）。

遮光棚搭建好后，其次要解決的是電源的連接問題，針對(duì)不同情況，有兩種解決方案：（1）唐陵雕塑附近有村民時(shí)，請(qǐng)求提供幫助，準(zhǔn)備0.75平方的純銅線100米就近連接；（2）周邊沒有居民或者相距太遠(yuǎn)，需準(zhǔn)備14000毫安的飛利浦移動(dòng)電源兩個(gè)，以此來提供掃描儀的持續(xù)用電。而被掃描的這個(gè)翁仲旁有一戶人家，在掃描前跟村民溝通，說明情況，并給予一定費(fèi)用，才得以連接電源。

一切工作準(zhǔn)備就緒，便開始掃描。掃描過程中，要實(shí)時(shí)關(guān)注電腦上所呈現(xiàn)的掃描效果，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏洞并修補(bǔ)。但因?yàn)榈袼鼙旧砬嫣?，掃描中依舊會(huì)留下一些漏洞（圖12），因此在最終掃描完成后，將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geamagic軟件中進(jìn)行后期修補(bǔ)，修補(bǔ)舌如圖13所示。

修補(bǔ)完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3Dmax軟件中進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)架（圖14）和貼透明材質(zhì)（圖15）兩種不同效果的制作、輸出，最終，這些不同的展示效果都將被采集到唐陵數(shù)據(jù)庫中，以便于唐陵雕塑的研究與展示。

（三）實(shí)踐過程中的利弊體驗(yàn)及問題解決方案

優(yōu)勢(shì)：（1）輕便快捷：一個(gè)人不間斷掃描唐建陵持劍翁仲雕塑大約用時(shí)90分鐘，掃描儀的輕便為我們后期對(duì)體積更大唐陵雕塑的掃描減輕了很大負(fù)擔(dān)；（2）實(shí)時(shí)觀測(cè)：可以通過電腦隨時(shí)看到掃描漏洞，更精確的掃描物體的每+細(xì)節(jié)，即使沒有立即發(fā)現(xiàn)漏洞，也可以回到已掃描完但需修補(bǔ)的區(qū)域重新定位，再次掃描修補(bǔ)；（3）高精度：掃描完成后的數(shù)字化信息精確完整，為最終輸入到唐陵數(shù)據(jù)庫做展示提供了新的途徑。

需克服的難點(diǎn)：（1）掃描時(shí)間：掃描過程中掃描儀不能移動(dòng)過快，需保持1分鐘掃描10cm距離的速度，因此掃描一個(gè)長(zhǎng)約60cm寬約30cm高約220cm的石刻可能會(huì)需要3-4個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間；（2）也正因?yàn)樘屏甑袼荏w積龐大，有的雕塑位于斜坡或者高田之上，需要借助很高的梯子爬高來進(jìn)行掃描，此時(shí)需要注意的是掃描設(shè)備及人身的安全問題；（3）掃描完成后的修補(bǔ)、調(diào)整以及再創(chuàng)作對(duì)于個(gè)人來說是一個(gè)全新的領(lǐng)域，了解較少，后期軟件處理方面需要多學(xué)習(xí)、勤練習(xí)。

四結(jié)語

在科技發(fā)展日新月異的今天，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化是未來發(fā)掘、保護(hù)文化遺產(chǎn)的發(fā)展方向。唐十八陵是我國(guó)古代文明的精華，以其磅礴的氣勢(shì)、精湛的雕刻技藝、豐富的文化內(nèi)涵和審美意蘊(yùn)，在中國(guó)的歷史長(zhǎng)河中占有不可忽視的地位。在現(xiàn)今社會(huì)大的科技背景下，應(yīng)該利用新材料、新技術(shù)、新手段來達(dá)到對(duì)唐陵文化遺產(chǎn)的保護(hù)。而三維掃描技術(shù)的應(yīng)用將為唐陵的數(shù)字化保護(hù)提供新的技術(shù)手段以及更全面更確切的數(shù)字化信息。數(shù)字化技術(shù)手段下的唐陵文化遺產(chǎn)，不僅是古代歷史的見證，也是中國(guó)文明最重要的物質(zhì)載體，更是文化、藝術(shù)的傳承。